（机械电子工程专业论文）非线性振动压实理论及工程应用.pdf

q 1 i ， at h e s i si nm e c h a n i c a la n de l e c t h e o r y o fn o n l i n e a r v i b r a t o r yc o m p a c t i n g a n d i t se n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s b yw 抽gj i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw e nb a n g c h u i l n o r t h e a s t e mu n i v e r s i t y d e c e m b e r2 0 0 7 ，、i 一，、 - 、 。 一， 独创- i 生声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 = 己 恧。 学位论文作者签名：土丑 日期：柳聋仅阂l 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 广一 、 i t 东北大学硕士学位论文 非线性振动压实 摘 振动存在于人类生活与工农业生产等诸多方面，有效地利用振动可以改善工艺质 量、提高生产效率，使振动在最大的可能范围内为人类造福。振动压实是一种非常重要 的振动应用分类，可以大大提高材料的强度、减小塑性变形、增加稳定性，广泛应用于 摊铺、压路、成型等领域，具有极高的社会效益、经济效益。 利用振动的系统，绝大多数是属于非线性振动系统。本文以闻邦椿院士的非线性振 动理论为基础，应用非线性领域的研究成果，对干摩擦、滞回、塑性变形三种非线性特 性进行了深入的研究分析，并结合振动压实成型机和振动压路机，建立非线性振动方程， 通过数值仿真和实验来验证所建模型的正确性，分析非线性振动的特性及改进方法，为 实际工程应用提供理论依据。本文主要做了以下几方面的工作： ( 1 ) 分析土体的类型和性质，论述振动压实理论，建立振动压实成型机的线性振动 模型及方程； ( 2 ) 介绍了摩擦的概念、分类与影响因素，分三种情况分析振动减摩机理，推导干 摩擦的求解方法，建立考虑干摩擦的非线性振动模型及方程，对比不同振动减摩系数及 不同频率下非线性振动系统的仿真结果，定性的分析了干摩擦对振动系统的影响及减小 摩擦的方法； ( 3 ) 介绍几种经典滞回模型，及滞回振动模型的渐进解法，根据实测滞回力曲线和 分段曲线模型简化出三段曲线滞回力模型，建立包含滞回力非线性振动压实方程，确定 振动参数并进行数值仿真，分析滞回力特性及对振动系统的影响，并验证了所建立滞回 力模型的正确性； ( 4 ) 结合y z c l 型振动压路机，建立了考虑土体塑性变形的非线性振动模型，确定了 系统参数并进行不同激振力频率下的数值仿真，对比振动压路机实验数据，分析非线性 振动压路机的系统响应特点，并验证系统模型的可用性。 关键词：振动压实；振动摩擦；土体；滞回特性；非线性；振动压路机；数值仿真 j e 丘i c i e n c y 龇l dt 1 1 ee c o n o m i ce m c i e n c y a g r e a tn u m b e ro fv i b r a t o 巧s y s t e mb e l o n g st 0t l l en o n l i n e a r “b r a t i o ns y s t e m t m s a r t i c l et o o ka c a d e m i c i a i lw e nb a i l g c h u i l sn o n l i n e a rv i b r a t i o nt l l e o 巧嬲t 1 1 ef i o u n d a t i o i l ， 印p l i e dn o i l l i i l e a rd o m 撕nr e s e a r c hr e s u l t s ，a 1 1 a j y z e dt l l ed r y 衔c t i o l l h y s t e r e s i s ，t 1 1 ep l a s t i c i t ) ， d e f o m l a t i o nt l l f e er 1 0 m i n e 盯c h a r a c t e r i s t i c ，e s t a b l i s h e dn l en o r d i n e 缸v i b r a t i o ne q u a t i o no f v i b r a t o 巧c o m p a c t i o nf i o 肌i n gm a c m n e 锄dv i b r a t i o nr o a dr o l l e r c o n f i n i l e dt l l em o d e l s a c c u r a c yn 1 1 0 u g l l 吐1 ev a j u cs i m u l a t i o na i l dm ee x p e r i m e n t ，锄融y z e dn o i l l i n e 盯v i b r a t i o n c t e r i s t i c 锄dm ec o r r e c t i v em e t h o d ，p r o v i d e dt l l e 也e o d rb 嬲i sf o rt l l ea c t u mp r o je c t 印p l i c a t i o n m sa n i c l em a i l l l yd o n e 也ef o l l o 研n gs e v e r a la s p e c tw o r k s ： ( 1 ) a n a l y z e dt l l es o i l st y p e 觚di t sn a _ t u r e ，d i s c u s s e dt l l ev i b r a t i o nc o m p a c t i o nm e o e s t a b l i s h e dt l l el i l l e a rv i b r a t i o nm o d e l 觚d 也ee q u a t i o no fv i b r a t o 巧c o m p a c t i o nf o m ：l i n g m a c l l i n e ； ( 2 ) i n t r o d u c e dt h e 衔c t i o nc o n c e 以t 1 1 ec l a s s i f i c a t i o n a n dt h e i i m u e n c i n gf 如t o r ， 锄a l l y z e dv i b r a t i o n 趾t i 伍c t i o nm e c h a i l i s mt l l i o u 曲m r e ek i 】帕o fs i 眦i o i l s ，d e d u c e dm e s o l u t i o nm e m o do fd 巧衔c t i o i l e s t a b l i s h e dt h em o d e la 1 1 dm ee q 眦t i o no fn o i l l i n e a rs y s t e m 、) r i t l lt l l ed d r 衔c t i o n ，c o n t 溺t e dt l l es i m u l a t i o nr e s u l t so fn o l l l i n e 盯v i b r a t i o ns y s t e mu n d e r d i 艉r e l l tv i b r a t i o na n t i 一衔c t i o nc o e m c i e n t sa 1 1 dd i 舵r e n t 舭q u e n c i e s ，q u a l i t a t i v ea i l a l y z e dm e i n n u e n c eo fd r y 衔c t i o na n dt h em e t l l o dh o wt 0r e d u c e d t l l e 衔c t i o n ； ( 3 ) i i l 仃o d u c e ds e v e r a l 时n do fc l 器s i c sh y s t e r e s i sm o d e l ，a n di t se v o l u t i o ns o l u t i o i l g o ta h y s t e r e s i ss 缸e n g t l lm o d e lo ft l l r e es e c t i o n so fc u r v e ss i m p l i f i e d 丘o mt l l ea c t u a lh y s t e r e s i s f 0 r c ec u r v ea n dt l l ep i e c e 谢s ec u r v em o d e l ，e s t a b l i s h e dt l l en o n l i n e 盯v i b r a t i o ne q 删i o n 谢m l l y s t e r e s i sf o r c e ，d e t e m i n e dt l l ev i b r a t i o np a r a m e t e r s 锄dc a 而e do nm ev a j u es i m u l a t i o n ， a n a l y z e dm ec h a r a c t e r i s t i co f h y s t e r e s i sf o r c e 觚di t si n f l u e n c e ，锄dc o 而m e dt h ea c c u r a c yo f h y s t e r e s i sm o d e l ； ( 4 ) e s t a b l i s h e d t l l en o l l l i n e a rv i b r a t o r ) ，m o d e l 晰t 1 1s o i l s p l a s t i c i t ) ，d e f o m a t i o n c o r d i n gt 0t l l ey z c 1 v i b r a t o r ) ，r o l l e r d e t e n i l i n e dt 1 1 es y s t e mp 猢e t e r s 觚dc a r 巧e do nt h e v a l u es i m u l a t i o n 岫d e rd i 疏r e n tf k q u e n c i e s ，c o n t r 觞t e d 、 r i mv i b r a t o d rr o l l e r s e x p e r i m e n t i i i - 东北大学硕士学位论文a b s 仃a c t 蛐，趾a l y z e dm er e s p o i l s ec h a r a c t e r i s t i co fn o m i n e a rv i b m t i o ns y s t e m ，a i l dc o 蠲m e dm e u s a b i l i 够o ft l l i ss y s t e mm o d e l k e yw o r d s ：v i b r a t o 巧c o m p a c t i n g ； v i b r a t o 巧衔c t i o n ；s o i l ；h y s t e r e s i sc 1 1 a m c t e r i s t i c ； n o i l l i i l e a r ； 、r i b r a t o 巧r o a dr o l l e r ； v a l u es i i i l u l a t i o n i v ， 东北大学硕士学位论文 声明 摘要 a b s t r a c t 。i i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究目的意义1 1 2 非线性振动压实的研究现状2 1 2 1 线性模型2 1 2 2 分段线性的非线性模型3 1 2 3 滞回特性非线性模型3 1 2 4 带有慢变参数滞回特性的非线性模型4 1 3 本文的主要工作5 第2 章振动压实机理及基本方法“ 2 1 土体性质6 2 1 1 土的构成和分类6 2 1 2 土的剪切破坏7 2 1 3 土体的非线性。9 2 2 振动压实理论1 1 2 2 1 压实的基本方法1 1 2 1 2 振动压实机理1 2 2 3 振动压实成型机1 4 2 3 1 振动压实成型机简介1 4 2 3 2 建立等效线性模型15 2 4 本章小结1 6 第3 章具有非线性摩擦力的振动压实模型1 7 3 1 摩擦的概念、分类与影响因素1 7 3 1 1 摩擦的概念1 7 v 东北大学硕士学位论文 目 录 3 1 2 摩擦的分类1 7 ， 3 1 3 摩擦的影响因素一1 8 3 2 振动减摩机理一18 3 2 1 振动与作用力平行的情况一1 9 3 2 2 振动与正压力平行的情况一2 0 3 2 3 振动与作用力、正压力垂直2 1 3 3 摩擦参数的确定2 1 3 3 1 分析静摩擦2 1 3 3 2 分析动摩擦一2 4 3 4 考虑摩擦的非线性方程2 5 3 4 1 振动系统参数2 5 3 4 2 考虑摩擦的非线性振动压实模型2 5 3 5 简谐力作用下的非线性系统的渐近法2 6 3 5 1 方程的非共振解2 6 3 5 2 主共振情况2 7 3 6 非线性摩擦力模型数据仿真。3 0 3 6 1 不同振动减摩系数下的仿真一3 0 3 6 2 激振力频率渐变( 扫频) 仿真3 2 3 7 本章小结一3 4 第4 章具有非线性滞回力的振动压实模型3 5 4 1 几种经典的滞回模型3 5 4 1 1c a u 曲y 双线型3 5 4 1 2n e i l s e n 退化双线型3 6 4 1 3c l o u 曲退化双线型3 6 4 1 4 具有微分形式的曲线型3 7 4 2 滞回振动系统的渐近解法3 8 4 3 滞回非线性振动模型3 9 4 3 1 三段曲线滞回模型3 9 4 3 2 非线性振动方程一4 0 - 东北大学硕士学位论文 目录 4 4 滞回非线性振动压实仿真4 1 4 5 本章小结4 2 第5 章振动压路机非线性模型及实验。4 3 5 1 振动压路机介绍4 3 5 1 1 压路机发展史4 3 5 1 2 压路机分类4 4 5 2 振动压路机一土系统力学模型。4 5 5 2 1 考虑土体塑性变形时力与变形的关系4 5 5 2 2 非线性振动压路机模型的建立4 5 5 3 振动压路机非线性模型参数的确定4 7 5 3 1y z c l 型振动压路机介绍4 7 5 3 2 非线性振动模型参数确定4 7 5 3 3 未扰系统的固有频率。4 8 5 4 数值仿真结果4 8 5 5 压路机实验。5 0 5 5 1 实验设备及软件。5 0 5 5 2 实验结果51 5 6 本章小结5 2 第6 章总结和展望5 3 6 1 总结5 3 6 2 展望5 3 参考文献5 5 致谢5 8 v i i 一 效地工作，这些系统利用了非线性振动所具有的本质特性【l 】。 振动压实的对象是干物料或略带水分的松散物料。压实对物料的影响主要有以下三 个方面【2 l ： ( 1 ) 适当压实后土壤和材料强度大大增加。 土的强度实质上是，土体内一部分土体对另一部土体之间的相对滑动的抵抗力，即 抗剪强度。随着变形的增加，土的强度增大，直至出现一个峰值。过了这个峰值点，土 的强度则随着变形的增大反而下降。由此可见只有适当压实土壤，才有可能大大增强土 的强度。有资料表明，当石灰土的压实度从9 0 提高到1 0 0 时，其抗压( 或抗剪) 强度 增加了3 倍。 ( 2 ) 压实可以明显地减少土和材料的塑性变形 许多土力学实验表明，密实度对塑性变形有很大的影响。当土的试件的密实度为最 大干容重的9 3 时，在载荷的反复作用下，试件的塑性变形随力作用次数很快累积，而 密实度为1 0 0 的试件，塑性变形的累积要慢的多，且最后塑性变形比前者小的多。 ( 3 ) 压实可以明显地减少土和材料的渗透系数，增加稳定性 密实度愈大，土壤等内部的孔隙就愈小，渗透系数大大减小。该资料表明，当将沥 青碎石料的压实度提高3 0 ，可将沥青路面的使用寿命提高3 0 。 采用振动压路机压实路面，可以使路面的密实度达到9 5 以上，这是一般静压作用 的压路机所无法比拟的，而静压压路机一般密实度不超过9 0 ，振动压实与静压压实相 比，在要求同样密实度的条件下，振动压实所需的静压力仅为静压压实的1 7 1 l o ，所 以利用振动压路机，可以大大提高路面的质量，进而可以显著延长公路的寿命，如果每 公里的高速公路的修建费用按2 0 0 0 4 0 0 0 万的人民币进行计算，而通过振动压路机压实 路面之后，假如其工作寿命可延长1 0 的话，其经济效益将是十分惊人的。由此可见， 振动所发挥的作用是十分明显的。 目前，振动压实理论有很多学术上的研究分析，取得了丰硕的技术成果，并应用于 实践生产，社会效益、经济效益显著【3 。5 】。前人的研究以线性模型为主，本课题将以非 - 1 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 线性动力学理论和振动学理论为基础，探讨干摩擦、滞回和土体塑性变形三种非线性特 性，建立各自的振动压实力学模型，通过计算、仿真、实验等手段验证理论的正确性， 并结合振动压实成型机和振动压路机，讨论如何提高振动压实的工效。 1 2 非线性振动压实的研究现状 压实从踩实、碾压、轮胎压路机到振动压路机，经历了上千年的历史。美国、德国 等发达国家研究振动压实较早，理论更完善，产品也更先进可靠。从本世纪六十年代开 始研制振动压路机以来，通过几代人的不断努力和消化吸收国外先进的设计经验，我国 在振动压路机的研制、设计与制造等方面均取得了长足的发展，基本上可以自行设计制 造各种类型和规格的振动压路机【6 。 目前国内外几种具有代表性的物料振动压实系统动力学模型：线性模型、分段线性 的非线性模型、滞回特性非线性模型和带有慢变参数滞回特性的非线性模型。下面将分 别用二自由度系统分析比较各种振动压路机力学模型，并简单介绍各种模型的优点及改 进【引。 1 2 1 线性模型 图1 1 线性模型 f i g 1 1l i i l e 盯m o d e l 早期振动压路机动力学模型的研究大多为线性模型，其中最具有代表性的线性模型 是由t o ots 和s e l i get 提出的二自由度、线性、集中质量、弹簧一阻尼参数描述的土 壤一压路机系统动力学模型【9 。10 1 ，如图1 1 所示。把振动轮和机架简化为集中质量块，把 机架与振动轮减振系统和土壤简化为具有某种刚度的弹簧和某种阻尼系数的缓冲器，其 动力学微分方程如下： i 聊l j l + c l ( 文l j 2 ) + 毛( 毛一x 2 ) = o 1 m 2 戈2 + c 2 j 2 一c l l 一童2 ) + 七2 x 2 一毛( _ 一x 2 ) ：，s i l l 耐 ( 1 1 ) 2 东北 参数( 即不同的压实工况) 下的振动行为和特性，同时可以很好地了解土壤一压路机系统 的动力学响应特性。 1 2 2 分段线性的非线性模型 图1 2 分段线性模型 f i g 1 2p i e c e w i s el i n e a rm o d e l 考虑跳振情况的非线性模型，即把原来线性模型分为藕合与脱藕两个工况，把这种 非线性模型称之为分段线性模型，其动力学微分方程如下1 1 1 1 4 】： i 一所l 戈l + c l ( 戈1 一戈2 ) + 七l ( x l x 2 ) + m l g = o t 一所2 戈2 一c l ( 曼i 一文2 ) 一毛( x l x 2 ) + f s i n 耐：只 ( 1 2 ) f 是振动轮与土壤的相互作用力，分为接触与跳振两种工况。通过分析判断振动轮 是否跳离地面和分析振动轮离地是否具有规律性的方法研究振动轮的动力学响应特性， 把振动轮的振动行为分为周期、分岔和混沌3 个状态，并认为压路机跳振进人不稳定状 态时不利于路面压实，应当尽量避免。 1 2 3 滞回特性非线性模型 考虑土壤受载时体现出的粘滞弹塑性非线性变形特性，提出考虑土壤受载滞回变形 特性的非线性模型。其中以研a d ej 提出的三角形滞回模型【1 5 1 最具有代表性，如图1 3 所 - 3 - 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 不： 图1 3 滞同模型 f i g 1 3h y s t e r e t i cl o o pm o d e 图中s ，为土壤塑性变形量。q 丽ej 认为土壤加载和卸载时的变形特性不一样，相 应的土壤参数也不相同，卸载时的土壤弹性刚度七。：要大于加载时的刚度后。， 屯2 = 9 屯l ( 1 3 ) 式中伊为土壤屈服前后刚度之比，缈= 3 1 0 。 1 2 4 带有慢变参数滞回特性的非线性模型 图1 4 慢变参数非线性模型 f i g 1 4n o n l i n e 盯m o d e lw i t l ls l o w v 孤y i n gp 砌e t e r 随着压实遍数的增多，土壤的密实度也随之改变，所以土壤的受载滞回变形曲线形 状在不断地改变，甚至滞回模型的性质变得完全不同【1 6 1 。充分考虑土壤压实过程中体现 出的空间上和时间上的非线性变形特性，提出带有慢变参数滞回变形特性的非线性动力 学模型【1 7 1 。动力学模型及动力学方程与线性模型基本相同，但七i 、七：、q 、c ：都加入 了与f 、缈相关的非线性函数，即七= 厂( ，国) ，c = 厂( x ，f ) 。 4 ( 3 ) 介绍滞回特性，根据实测土壤滞回力曲线，在前人基础上建立简化的三段曲线 非线性滞回模型，并仿真求解，分析滞回力对振动系统的影响，并对比实测数据，验证 模型的正确性； ( 4 ) 介绍振动压路机的机理，建立二自由度非线性模型及方程，结合实验用y z c l 型压路机确定模型参数，进行不同频率下系统仿真，并对比试验数据，验证非线性系统 模型的可用性。 - 5 - 东北大学硕士学位论文第2 章振动压实机理及基本方法 第2 章振动压实机理及基本方法 2 1 土体性质 2 1 1 土的构成和分类 土由矿物质颗粒、空隙和充满部分间隙的水组成。土颗粒的大小和成分、孔隙率、 含水量的变化表现出土的不同物理性质及力学性能。 土以其颗粒大小分类如下：颗粒直径在4 0 i l m 以上的为砾石；2 4 i 衄为砂粒； o 2 5 2 删【i l 为砂；0 0 5 0 2 5 1 1 1 1 1 1 为细砂；0 0 0 5 0 0 5 r 衄为泥砂：0 0 0 5 m m 以下为粘土。实际 上土是各种大小颗粒混合在一起的，因此根据其各种组成成分按重量所占的百分比大致 可分为砾石质土类、砂土类、亚砂土类、粉土类、亚粘土类、粘土类等六种，每一类土 按其粒度成分还可进一步详细分类，如砂土可以分为粗砂、中砂、细砂、粉质砂土；亚 粘土可分为轻亚粘土、重亚粘土等。土按粒度成分的基本分类如表2 1 所示。 表2 1 土按粒度成分分类 n i b l e 2 1c 1 笛s i f i c a t i o nb yg r a n u i a rc o m p o n e n to fs o i l 土按粘着性可分为粘性土和非粘性土。粘性土在土的颗粒之间有粘性即有粘聚力存 在，如粘土。无粘性土也称摩擦性土，在土的颗粒之间无粘性，没有粘聚力存在，如干 砂、砂质土等。 塑性下限塑性上限 含水 一 硬性土流动性土 量 图2 1 粘性土的三种物理状态 f i g 2 11 1 l r e ek i n d s0 fp h y s i c 越s t a t eo fc l a y 含水量对土的塑性有重要影响。当含水量大于一定界限即塑性上限时粘性土会呈现 6 东北大学硕士学位论文 第2 章振动压实机理及基本方法 某种流动状态；当含水量小于一定界限塑性下限时，粘性土会变成硬性的固体状态。由 此可见，随着含水量的不同，粘性土具有不同的物理状态。当含水量小于其塑性下限时 为硬性土；当含水量处于塑性下限与塑性上限之间时，则属于塑性土；当含水量大于塑 性上限时，则属于流动性土( 图2 1 ) 。塑性土按其塑性上、下区间的大小又可分为高塑 性土( 粘土) ，塑性土( 亚粘土) 和低塑性土( 亚砂土) 。 不同的土壤类型对应不同的固有频率【1 8 】( 表2 2 ) ： 表2 2 各种土壤的固有频率 里尘! 皇三：呈型塑堕! 墼g 坠皇坠呈i 曼! q 趔! ! q 查q 剑 土壤种类湿粘土微湿粘土干粘土湿砂干砂砾石 2 1 2 土的剪切破坏 对于无粘性土，剪切面上的极限剪应力f 与法向应力仃成正比，符合库仑摩擦定律， 如图2 2 所示。 f = 2 盯= 盯t a n 妒 ( 2 1 ) 其中 ：土的内摩擦系数 土的内摩擦角 图2 2 土的极限剪应力 f i g 2 2l i m i t i n gs h e 鲥n gs t r e s so fs o i l 对于粘性土，极限剪应力不仅与法向应力仃有关，而且与其粘性( 粘聚力) 有关。 f = c + 盯切n 妒 ( 2 2 ) 土体受力后能否发生破坏，取决于土体内部剪应力f 值是否超过土的极限剪应力 f 。当土体受外力作用后，取其内一单元加以分析如图2 3 所示。 - 7 一 东北大学硕士学位论文 第2 章振动压实机理及基本方法 图2 3 土单元受力状态 f i g 2 3p i e s s e ds t a c eo fs o i le l e m e n t 在已知主应力q 和作用下可求得该土体某一点处与主应力作用面成口角的斜面 m n 上的法向应力仃和剪应力r 之值。 盯= 三( 盯。+ 仃：) + 三( 盯。一盯：) c 。s 2 口 f = 丢( 仃。一盯：) s i n 2 口 与式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 对应的莫尔应力圆如图2 4 所示。 图2 4 莫尔应力圆 f i g 2 4t h em o h ，ss 仃e s sc i r c l e ( 2 3 ) ( 2 4 ) 根据极限平衡理论，无粘性图的极限平衡条件( 图2 5 ) 为 仃一= 仃曲t a i l 2 ( 4 5 。+ 要) z ( 2 5 ) 粘性土的极限平衡条件( 图2 6 ) 为 = t a n 2 ( 4 5 。+ 善) + c t 趾 ( 2 6 ) 可见粘性土的最大与最小主应力之间的关系要比非粘性土复杂些，因为多了一项粘 8 东北大学硕士学位论文第2 章振动压实机理及基本方法 聚力的因素。 图2 5 无粘性土的极限平衡条件 f i g 2 5l i m i t i n gb a l a n c ec o n d i t i o n o fc o h e s i o n l e s ss o i l j i ! 和 俩一 i 、趣 人 i i i一盯m i n 一 i c ：t a n 矽 l 一一一 仃m “ 一 i 一 一 图2 6 粘性土的极限平衡条件 f i g 2 6l i m i t i n gb a l 锄c ec o n d i t i o n o f c l a y 土体受力后，除了产生弹性应变外，会有明显不可恢复的塑性体积变形，土体的塑 性变形是由颗粒的错位滑移而造成的，同样对于土体的剪切也会引起塑性体积变形。根 据虎克定律，剪应力不引起弹性体积变形，因此，剪应力所引起的体积变形也认为全部 为塑性变形。 2 1 3 土体的非线性 土体在三轴试验中得出的轴向应力吼一吼与轴向应变g 。的关系曲线如图2 7 所示， 初始阶段为直线，材料处于弹性变形状态，当应力达到某一个临界值时，应力应变关系 明显转为曲线，材料同时存在弹性变形和塑性变形。与金属材料不同的是，初始的直线 阶段很短，对于松砂和正常固结的粘土，几乎没有直线阶段，加载一开始就呈非线性。 0 i f 图2 7 土体中的应力一应变关系 f i g 2 7t h e 聆l a t i o n s h i po fs 臼e s s - s 仃a i ni ns o i im 嬲s 土的应力应变关系特点： 土在动荷作用下的变形常常包括弹性变形和塑性变形两部分。动荷较少时，主要为 弹性变形，动荷增大时塑性变形逐渐产生和发展。因此，土在小应变情况下将显示出近 9 东北大学硕士学位论文 第2 章振动压实机理及基本方法 似弹性体的特征。但是，当动应变幅度增大时，动荷将会引起土结构的改变，从而引起 土的残余变形和强度的降低，这时，土的动力特性将明显不同于小应变的情况。此时， 除了需要研究土的强度和变形规律外，对于饱和砂土，甚至饱和的轻亚粘性土等，往往 会因结构遭到破坏时孔隙水压力的迅速增长而出现强度的突然丧失，即所谓的振动液化 现象。所以对于动荷作用下土的性能问题，必须区别小应变动荷作用和大应变动荷作用 两种不同的情况。在小应变情况下的问题，主要是研究土的剪切模量和阻尼比的变化规 律，为土体的动力分析提供必要的指标。但在大应变情况下，除了研究剪切模量和阻尼 比的变化外，土的强度和变形问题就显得更加重要。至于饱和土的振动液化，那更是一 个在大应变情况下的极为突出的问题。 土在周期荷载作用下的应力应变关系有两个特点，一个是非线性，另一个是滞后性。 如果沿图中初始剪应力为零的平面上缓慢循环加卸载，则在一个周期内的应力应变关系 曲线将是一个滞回曲线( 图2 8 ) 。滞回曲线反映出了应变的非线性及应变对应力的滞回 性。 图2 8 土在压缩、回弹时的滞回曲线 f i g 2 8s o i l sh y s t e r e s i sc u r v e sw h e nc o m p r e s s e da n ds p r i n g e db a c k 土与一般的弹性材料不同，在受压缩时除部分弹性变形外还有相当部分是不可恢复 的残余变形。土的弹性变形是指土在压力除去后可以恢复的那部分变形，例如土颗粒的 弹性变形、封闭气体的压缩和溶解以及薄膜水的变形等。土的残余变形是指土在压力除 去后不能恢复的那部分变形，例如由于土颗粒的相互位移、个别颗粒被压碎、孔隙水和 空气从孔隙中挤出所形成的变形等。 材料的滞回特性取决于材料本身的特性以及所受载荷的特点。在一个循环周期内， 当卸载过程中不出现反向的塑性变形时，会形成不对称滞回环。不对称滞回特性与一般 对称滞回特性在本质上是一致的，都是由于材料内部结构阻尼特性引起的，但卸载与加 载过程中变形路径存在差异。 - 1 0 东北大学硕士学位论文第2 章振动压实机理及基本方法 随着激振力周期的增加，土的应力应变滞回环逐渐向应力增大的方向移动。对于软 粘土，滞回环随向右移动而愈来愈大，愈来愈倾斜，出现周期衰化现象；对于松砂( 干 砂) 滞回环随向右移动而愈来愈小，并愈来愈靠近，最终达到稳定状态。 2 2 振动压实理论 2 2 1 压实的基本方法 压实是通过施加外力使被压实材料提高密实度的过程【1 9 】。铺筑材料的压实过程，是 向被压材料加载，克服松散多相材料中固体颗粒间的摩擦力、粘着力，排除固体颗粒间 的空气和水分，使各个颗粒发生位移，互相靠近。铺筑材料经压实后，密实度增加。密 实度可用单位体积质量来表示。 对铺筑材料的压实，一般都用周期性的加载( 图2 9 ) 。在加载过程中，材料的应力可 增加到最大值，卸载时，材料的应力下降，然后经过间歇，重复循环。 图2 9 铺筑材料周期性加载的变化特点 f i g 2 9v a r i a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i co fp e r i o d i cl o a da b o u tp a v i n gm a t e r i a l 图中口为材料所受的应力，f 为应力作用时间，啊为材料受应力作用时间，f o 为不受 载间歇时间。 常用压实方法通常有：静压、夯实和振实。 静压是用具有一定质量的滚轮慢速滚过铺层，用静压力使铺层材料获得永久残留变 形。随滚压次数的增多，材料的密实度增加，而永久残留变形减小，最后达到实际残留 变形等于零。为了进一步提高被压材料的密实度，必须用较重的滚轮来滚压。但是，依 靠静载荷( 自重) 压实，材料颗粒之间的摩擦力阻止颗粒进行大范围运功，随着静载荷的 增加，颗粒间的摩擦力也增加。因此，静作用压实，有一个极限的压实效果，无限地增 加静载荷，有时也不能得到要求的压实效果，反而会破坏土的结构。液压的特点是，循 环延续时间长，材料应力状态的变化速度不大，但应力较大。 东北大学硕士学位论文第2 章振动压实机理及基本方法 夯实是利用一物体从某高度上自由下落时产生的冲击力，把材料压实。当自由下落 物体与材料表面接触时，冲击力产生的压力波传人铺层材料中，使材料颗粒运动，冲击 载荷的影响深度比静载荷的影响深度要大。如果落体从2 0 c m 的高度落到铺层表面，其冲 击力大约为落体产生的静压力的5 0 倍。所以，夯实比静作用压实的压实效果好。夯实的 特点是，对材料所产生的应力变化速度很大。在压实土壤时，特别是对粘性土壤有较好 的压实效果。 振实是将固定在物体上的振动器所产生的高频振动传给被压材料，使其发生接近自 身固有频率的振动，颗粒间的摩擦力实际上被消除，在这种状态下，小的颗粒充填别大 颗粒材料的孔隙中，材料处于容积尽量小的状态，压实度增加。振实的特点是，表面应 力不大、过程时间短、加载频率大，可广泛用于粘性小的材料，如砂土、水泥混凝土混 合料。 在同一机械中，可以同时采用几种压实的方法，这样能利用每种压实方法的优点， 提高压实效果和扩大机械的使用范围。 2 1 2 振动压实机理 。； 振动压路机在作业时，由于振动轮的振动使其对铺层材料作用一个往复冲击力，振 动轮对铺层每冲击一次，被压实材料中就产生一个冲击波。同时，这个冲击波在被压实 的材料内沿着纵深方向扩散和传播。被压实材料的颗粒在冲击波的作用下，由静止的初 始状态变为运动状态。被压实材料颗粒之间的摩擦力也出初始的静摩擦状态逐渐进入到 动摩擦状态。可见，进行振动压实时，在被压材料层中作用有内力和外力。内力包括料 粒间的粘结力、摩擦力和料粒的重量；外力包括由于振动作用传送给被压材料颗粒的惯 性力和上层材料的重力。 材料受强迫振动后，由于各料粒的质量及所处位置不同，所产生的惯性力也截然不 同。此时，料粒间的粘结膜发生张紧的现象。若惯性力不大，不足以克服料粒间的摩擦 力和粘结力，则各颗粒仍处于原始位置。如果惯性力很大，足以破环颗粒间的摩擦力和 粘结力，在这种情况下，料粒在其自重力和上层物料重力的作用下相互脱离，发生位移， 力图占据最低稳定位置，排除气相和液相，互相楔紧、挤紧，达到密实。压实过程中发 生的物理现象有： ( 1 ) 使大小土块重新排列和互相靠近。 ( 2 ) 使单个土颗粒重新排列和互相靠近。 ( 3 ) 使土块内部的土颗粒重新排列和互相靠近。 ( 4 ) 使小颗粒进入大颗粒的孔隙中。 1 2 东北大学硕士学位论文第2 章振动压实机理及基本方法 料粒的惯性力可按下述方法确定。料粒在强迫振动时的位移近似地按正弦曲线规律 进行： x = 彳s i n 耐 ( 2 7 ) 其中x 位移值； 彳振幅； 角频率； r 振动时间。 速度和加速度为： 童= 彳缈c o s 研 ( 2 8 ) 碧= 一彳国2s 逾耐 ( 2 9 ) 料粒质量为朋时的惯性力： ，= 一刎国2s i i l 耐 ( 2 1 0 ) 振幅么不是常值，视被压层的深度而定。离振源越远，振幅彳越小。按以下规律变化： 彳= 厶e 一砷 ( 2 1 1 ) 其中彳o 振动器振动的频率； p 自然对数底； ) ，系数，视材料性质而定； j l 材料至振源的垂直距离。 在压实砂土时，系数y 为： 例抛詈一吉h 矗 亿 其中振动器的角频率( h z ) ； 1 ，振动传递速度，对砂土可取，= 15 0 2 0 0 “s ； 七系数，扣2 3 ： ，振动源底面宽( m ) 。 由此可见，材料相邻颗粒的质量差别越大，颗粒之间的粘结越弱，则它们的相对位 移越大。当用振实法压实水泥混凝土时，在很大程度上将出现混合料的触变性质。尤其 在振动开始时，这些混合料就稀释，其性质近似液体或半干液体。在振动终了时，各颗 粒间的粘结力被恢复。随着混合料被压实，出厂湿度降低，其触变性质也减小。 - 1 3 东北大学硕士学位论文 第2 章振动压实机理及基本方法 具有较大质量的大颗粒，在振动时得到较大的惯性力，首先脱离相邻的料粒，向下 移动。如果含有不同大小颗粒的材料进行长时间的振动，则可出现分层现象，大颗粒料 都处在下层，这是公路施工中不容许的。因此，振动应该在材料具有最大密实度，即大 颗粒之间的孔隙由小颗粒料填满时结束，此时分层还未发生，所需的振动时间视材料而 定： ( 1 ) 水泥混凝土混合料 3 0 s ( 2 ) 沥青混凝土混合料 1